专利名称：一种快速食品过敏原测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及食品安全领域，具体为一种快速食品过敏原测试仪。
背景技术：
近年来，与食物过敏有关的病例报道越来越多，食物过敏的发生率正在继续增加。 由于各国各民族的遗传因素和饮食习惯的不同，食品中过敏原的排列顺序可能会有所不 同，但总的来说，引起过敏频度较高的食品主要有花生及其制品；蛋及蛋制品；牛乳及乳 制品(含酸乳酪、干酪、酪蛋白乳糖等)；大豆和其它的豆类以及各种豆制品；小麦、大麦、 燕麦等以及谷物制品；鱼类及其制品；甲壳及其制品；果实类等。作为一个公共健康问题， 食物过敏问题作为食品安全问题越来越引起人们的关注。为了消费者的健康，许多发达国 家一方面制定各种法令或条款对食品过敏原以及食品标签作出规定，提醒消费者危险的存 在，另一方面则加快食品中过敏原成分的检测方法研究，以确定产品标签的符合性。从定性 分析到定量、半定量分析，再到快速检测方法研究，取得了很大进展，对食品过敏原进行实 时而有效的检测、监控是解决食品过敏问题的一个重点和难点。随着全球经济一体化和食 品贸易国际化，食品过敏问题具有更大的潜在的危险性，研究建立一套先进、快速、可靠、定 量的食品过敏原检测技术对于确保食品标签的一致性和消费者的安全十分必要。食品过敏原常规的检测方法主要ELISA、PCR、RT-PCR、PCR-ELISA，这些检测方法虽 然能满足检测灵敏度的要求，但操作复杂、成本昂贵，并且难以现场检测和在线检测。采用生物传感器的标记型免疫检测技术可以实现现场检测和在线检测。石英晶体 微天平(Quartz Crystal Microbalance，简称QCM)由于其可测至纳克级的高质量灵敏度， 在新型生物传感器的开发研究中已取得了很大进展。QCM通过测量电化学反应过程中由于 电极表面物质的吸脱附而引起的石英晶体振荡频率的改变，可为反应机理的推测间接地提 供有价值的参考信息。在国外，QCM在气相中的应用已经相当成熟，近几年，对液相中的QCM 应用的研究也取得了很大进步，并且已经出现了很多商品化的产品，但是这些产品的结构 比较复杂，并且价格非常昂贵。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种快速食品过敏原测试仪，该测试仪采用生物传感 器，结构简单、成本低。其技术方案是这样的—种快速食品过敏原测试仪，其包括生物传感器模块，用于感应过敏原生物反应 的变化；高频信号发生器，用于将所述生物传感器模块感应的生物反应的变化转变为电信 号；以及信号采集处理器，用于对所述电信号进行分析处理，并将处理后的数据进行存储、 显示；所述信号采集处理器包括嵌入式计算机、通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及 电源模块；所述嵌入式计算机分别与所述通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及电源模 块相连；所述通讯模块用于通讯和数据存储，所述数字显示模块用于显示测试结果，所述测试按键模块用于选择测试按键，所述电源模块用于提供电源。本发明进一步的技术方案为所述信号采集处理器还包括打印模块，所述打印模块与所述嵌入式计算机相连， 用于打印测试结果；所述生物传感器模块采用QCM传感器；所述高频信号发生器采用振荡 电路，所述QCM与自激振荡电路相连构成石英晶体谐振器；所述石英晶体谐振器与电感相 串联。本发明由生物传感器模块、高频信号发生器以及信号采集处理器组成，结构简单； 本发明借助嵌入式计算机强大的数字信号处理功能，对由生物传感器和高频信号发生器产 生的信号进行处理、显示，并实现了在线测量，保证了较高的测量精度。
图1为本发明的结构示意框图；图2为现有技术中的石英晶体谐振器的等效电路图；图3为本发明中的石英晶体谐振器的等效电路图；图4为现有技术中的石英晶体谐振器的电抗频率特性图；图5为本发明中的石英晶体谐振器的电抗频率特性图；图6为本发明的用户界面程序的流程框图；图7为本发明的测试分析程序的流程框图。
具体实施例方式如图1所示，本发明是一种快速食品过敏原测试仪，其包括用于感应过敏原生物 反应的变化的生物传感器模块、用于将生物传感器模块感应的生物反应的变化转变为电信 号的高频信号发生器以及用于对所述电信号进行分析处理，并将处理后的数据进行存储、 显示的信号采集处理器。上述信号采集处理器包括嵌入式计算机、通讯模块、数字显示模块、测试按键模块 及电源模块；所述嵌入式计算机分别与所述通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及电源 模块相连。所述通讯模块用于通讯和数据存储，采用RS232接口。所述数字显示模块用于显示测试结果，可以选用CRT或液晶显示屏。所述测试按键模块用于选择测试按键。所述电源模块用于提供电源，整个系统由外部220V电源输入，经过开关型稳压器 输出稳定的多路电压，供采集、放大及系统使用。嵌入式计算机，采用Philips公司的高性能嵌入式微处理器lpc2131，其内核是 ARM 公司的 ARM7TDMI。信号采集处理器还可以包括打印模块，打印模块采用RT400接口与嵌入式计算机 相连，用于打印测试结果。本发明的工作原理利用生物传感器，生物电极电化反应所产生的电信号，经过相 应的信号放大，并经过控制器控制，将信号送到ARM7嵌入式计算机中进行滤波等处理，处 理后的数据送入嵌入式计算机存储，并通过分析应用软件程序中对数据进行处理、显示，并
4作出分析显示或打印测试结果。作为一种实施例，生物传感器模块可以采用QCM传感器。本发明的关键是如何把生物反应的变化转变为电信号，目前驱动QCM振动并采集 其输出信号的方法主要有两种(1)振荡电路法；(2)频谱分析法。根据测试原理，本发明采用石英晶体振荡电路作为高频信号发生器。振荡电路法 的基本原理为将QCM接入自激振荡电路中，使其构成选频元件，电路的振荡频率等于QCM 的谐振频率。通过电路振荡频率的变化可得到QCM谐振频率的变化，从而可推测出待测物 质性质的变化。与频谱分析的方法相比，振荡电路法的主要优点有线路设计简单，测量精 度高，计算机信号采集容易实现，但振荡电路法的缺点是石英振荡器在大阻尼情况下容易 停震。这对于抗原和抗体在液相这样的大阻尼情况下保证振荡器不停震是线路设计的关 键。石英晶体具有压电效应，即在晶片两面加上电场，晶片就会产生形变。相反，若在 晶片上施加机械压力，则在晶片的相应方向上就会产生一定的电场。因此，当晶片的两极加 上交变电压时，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。若从外电 路来看，这就相当于有一交变电流通过晶片。在一般情况下，晶体机械振动的振幅是非常微 小的，只有在外加交变电压的频率等于晶片的固有振荡频率时，振动的振幅和交变电流才 突然增至最大，这种现象称为压电谐振，因此，石英晶体又称为石英谐振器。石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。当晶体不振动时，石英晶体谐振 器相当于一个平行板电容Ctl,称为静态电容，其值仅与晶片的尺寸有关，一般约为几pF到几 十PF。当晶片振动时，其等效电路应包含等效电感Lq、等效电容Cq和晶片振动时摩擦损耗 的等效电阻Rq，它们的值分别为Lq ^ ΙΟ"3 102Η、 ^ ΙΟ"4 IO-1PFJq IO2 Ω。由于晶 片的Lq很大，Cq, Rq都很小，故Q = ω Lq/Rq值极高，可达IO4 106，比一般LC回路Q值超 出2 4个数量级。此外，由于它本身的固有振动频率很稳定，所以用它做成的振荡器，可 获得很高的频率稳定度。从石英谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，一个是串联谐振频率fs，它是 LpCpRtl支路谐振时的频率。即 另一个是并联谐振频率fp，它是等效电路的谐振频率。即 由于Cq < Ctl，所以fs和fp这两个频率非常接近。从石英谐振器的等效电路可以求出它的电抗频率特性，如图4所示。在fs与fp之 间，呈电感性，在此区域以外，呈电容性。由于石英振荡器特性决定了石英振荡器振荡频率范围很窄，在fs与fp之间，为了 使包被抗原抗体的石英振荡器能稳定振荡，不至于停振，本发明设计了特殊的振荡线路，将 所述石英晶体谐振器与电感L相串联，图3所示即是石英谐振器原理简化图。图中LtpCtl与Ctl构成石英晶体振荡回路，电感L的接入展宽了石英晶振的频宽。从图4、图5可以看出， 原来的振荡频率fp、fs展宽到fp' >fs'频率，使得振荡电路能在各种测试环境下稳定振荡， 满足了测试仪的正常工作。整个测量系统的关键是频率测量的精度问题，常用数字频率测量方法有m法、t法 和m/t法。m法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的 频率。所以这种方法比较适合测量高频信号的频率。通过实验，由于所测生物传感器的基 频在8M左右，处于高频范围，因此本发明采用m法来测频率，经过实验分析及实际测量，本 发明的测量误差小于五百万分之一。通过测量生物传感器的生物电极电化反应所产生的频率变化，采用每秒测试一次 频率每五秒处理所测数据送数据缓存，经过10分钟周期的相应信号处理，通过计算机采集 控制及滤波等处理，处理后的数据送入嵌入式计算机存储并通过与实验所测的数据进行分 析比较，在应用程序中对处理结果、显示，打印测试结果。如图6所示，为本发明的用户界面程序的流程框图，该程序主要完成测试仪的人 机界面，及测试方法的使用。电源开关打开后，测试仪先进行系统初始化，然后定义通讯、显示及测试各相关子 函数，接着进入主程序菜单。主菜单分别是系统自检、系统测量、查看测试曲线、查看分析结果及打印分析结 果。屏幕显示的功能与测试按键模块的检测键一一对应，操作时只要按相应键即可。如图7所示，为本发明的测试分析程序的流程框图。该程序首先进入系统初始化 状态，包括屏幕初始化，各模块的初始化。根据测试对象，设定测试时间和输入测试对象的 实验理论数据，本发明是测试花生过敏原，根据花生生物传感器的特性，本发明测试时间设 定为10分钟，采用中断方式，每秒采样一次测试数据，每五秒取一次平均值，并送数据缓 存，并实时显示测试曲线，设定时间到，根据实时采集的数据，与实验理论数据进行分析计 算，最后显示测试曲线和分析结果，并打印输出测试曲线和测试结果。
权利要求
一种快速食品过敏原测试仪，其特征在于，其包括生物传感器模块，用于感应过敏原生物反应的变化；高频信号发生器，用于将所述生物传感器模块感应的生物反应的变化转变为电信号；以及信号采集处理器，用于对所述电信号进行分析处理，并将处理后的数据进行存储、显示；所述信号采集处理器包括嵌入式计算机、通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及电源模块；所述嵌入式计算机分别与所述通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及电源模块相连；所述通讯模块用于通讯和数据存储，所述数字显示模块用于显示测试结果，所述测试按键模块用于选择测试按键，所述电源模块用于提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种快速食品过敏原测试仪，其特征在于所述信号采集处 理器还包括打印模块，所述打印模块与所述嵌入式计算机相连，用于打印测试结果。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速食品过敏原测试仪，其特征在于所述生物传 感器模块采用QCM传感器。
4.根据权利要求3所述的一种快速食品过敏原测试仪，其特征在于所述高频信号发 生器采用振荡电路，所述QCM与自激振荡电路相连构成石英晶体谐振器。
5.根据权利要求4所述的一种快速食品过敏原测试仪，其特征在于所述石英晶体谐 振器与电感相串联。
全文摘要
本发明涉及一种快速食品过敏原测试仪，其包括生物传感器模块、高频信号发生器以及信号采集处理器，信号采集处理器包括嵌入式计算机、通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及电源模块；嵌入式计算机分别与通讯模块、数字显示模块、测试按键模块及电源模块相连；通讯模块用于通讯和数据存储，数字显示模块用于显示测试结果，测试按键模块用于选择测试按键，电源模块用于提供电源。本发明由生物传感器模块、高频信号发生器以及信号采集处理器组成，结构简单；本发明借助嵌入式计算机强大的数字信号处理功能，对由生物传感器和高频信号发生器产生的信号进行处理、显示，并实现了在线测量，保证了较高的测量精度。
文档编号G01N27/26GK101881746SQ200910035648
公开日2010年11月10日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者张平, 葛洪伟, 顾晓峰 申请人:江南大学